猪场废水施用对设施白菜地土壤氮盈余的影响

2021-05-02付莉王贵云杜连柱杨柳张克强杜会英

农业现代化研究 2021年2期

付莉，王贵云，杜连柱，杨柳，张克强，杜会英*

（1. 农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2. 十堰市农业科学院，湖北十堰 442000）

近年来，我国规模化生猪养殖发展迅速，但是猪场粪污随意排放，由此带来的地下水硝酸盐累积等环境污染问题日益突出，严重制约了规模化生猪养殖的可持续发展[1]。猪场粪污含有作物生长所需的氮、磷、钾等多种营养元素[2]，经过处理后作为肥料进行农田利用，是一种经济简便的利用方式，也是实现粪污养分循环利用的最有效手段。然而，猪场废水量大且养分变化较大，是还田利用方面亟需解决的问题。

国内外许多研究表明，养殖废水农田施用可增加土壤氮养分、减少氮素损失[3]，有效改善土壤肥力质量，增加作物产量品质[4]，而过量施用会导致作物不能有效吸收利用氮养分[5]。Ai等[6]研究表明废水施用对作物氮表观利用率提高2.8倍，产量提高24.5%。赵莉等[7]研究证实，通过不同比例的废水施用可以提升作物产量，降低土壤硝酸盐含量。Chen等[8]研究表明，长期施用沼液等有机肥可以确保土壤结构和肥力随着时间的推移而改变，从而促进土壤结构的优化。李硕等[9]研究认为，猪场废水施用农田可显著提升作物产量和氮素利用率。因此，废水农田施用需注意作物养分需求与土壤养分累积对环境影响的平衡。

目前，我国蔬菜单位面积施氮量远高于需求量，全国平均每季施氮量为388 kg/hm2[10]。蔬菜过量施肥造成大量硝态氮累积在土壤中，进而淋溶出根区以下，威胁水环境安全[11]。丹江口库区是南水北调中线工程核心水源区，也是库区周边各种污染物的最终宿体，农业面源污染造成丹江口库区承载着较大的氮负荷[12]，畜禽养殖是农业面源污染的重要来源之一[13]。开展畜禽粪污资源化利用，促进畜牧业绿色可持续发展，保证畜禽产品有效供给和农村居民生产生活环境改善[14]。然而，当前的研究多围绕单一种植[15]和单一养殖[16]展开，库区典型种养结合对作物和土壤氮养分的研究鲜见报道。因此，本文以田间定位试验为依托，设置不施肥处理、优化施肥处理和猪场废水氮替代化肥氮（废水氮量分别为281、374和561 kg/hm2）5个处理，开展猪场废水氮替代化肥氮对设施白菜产量、白菜氮吸收利用和土壤氮盈余的影响研究，以期为丹江口水源涵养区提高废水还田利用、降低养殖面源污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年10月至2019年12月在湖北省十堰市郧阳区进行。该区地处亚热带季风气候区，年平均气温15.4 ℃，多年年平均降水769.6 mm。试验地位于谭家湾镇大棚内，土壤为黄棕壤，种植前耕层（0～20 cm）土壤有机质6.58 g/kg、pH值7.72、全氮含量0.51 g/kg、硝态氮含量40.60 mg/kg、铵态氮含量1.99 mg/kg、速效磷含量36.91 mg/kg。废水为经过厌氧处理的猪粪水，取自试验地附近养殖场，废水pH 值7.51，总氮含量773.00 mg/L，铵态氮含量702.00 mg/L，总磷含量19.10 mg/L，总钾含量746.00 mg/L。

1.2 试验设计

试验设置5个处理，分别为：对照处理（CK），不施用任何肥料；优化施肥处理（NOPT），化肥施用量较常规施肥减量20%；3个猪场废水氮替代化肥氮处理（BSN100、BSN75和BSN50），废水氮量分别为281、374和561 kg/hm2，磷钾养分量与NOPT处理保持一致，废水中不足的磷钾养分用化学肥料补齐。试验用化肥分别为蔬菜专用肥（N-P2O5-K2O为18-8-18）、过磷酸钙（P2O5含量12%）和硫酸钾（K2O含量51%）。各处理养分投入量见表1。

每个处理重复3次，试验小区面积6.72 m2（3.2 m×2.1 m），随机区组排列，小区间用40 cm PVC板隔开。试验小区灌溉采用畦灌。分别于2017年10月13日、2018年9月20日、2019年4月4日和2019年9月21日定植白菜，于2018年1月10日、2018年11月29日、2019年6月10日和2019年12月18日收获；定植株距35 cm，行距40 cm。

1.3 样品采集与测定

将每个小区白菜植株全部收获后测鲜重，每个小区选取具有代表性的5株置于档案袋中放入烘箱中105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重，研磨过80目筛保存，经浓硫酸—双氧水消煮后用流动注射分析仪（北京吉天FIA-6000+）测定植株全氮。

表1 不同处理施肥量(kg/hm2)Table 1 Amount of fertilizer application under different treatments (kg/hm2)

土壤样品为白菜收获后用土钻在每个小区按照“S”型分0～20 cm、20～40 cm两层采集，同层次5点混合，装入密封袋带回实验室，样品过2 mm筛，测定土壤中硝态氮和铵态氮含量，剩余土壤样品风干后过100目筛，测定土壤有机质和全氮含量。土壤硝态氮含量和铵态氮含量采用2 mol/L KCl溶液（液土比5∶1）浸提后用流动注射分析仪测定，土壤全氮含量经浓硫酸消煮后用流动注射分析仪测定，土壤有机碳采用重铬酸钾容量法测定。

1.4 数据计算与统计分析

白菜—土壤（0～40 cm）系统氮盈余计算方法参考巨晓棠和谷保静[17]的研究方法。输入氮量为化肥氮、废水氮和灌溉输入氮，灌溉水中氮含量数据参考龚世飞等[18]的研究结果，氮携出量为白菜地上部收获氮带出量。计算公式为：

式中：NUE为氮表观利用率（%），NUN为施氮区白菜吸氮量（kg/hm2），NU0为对照区白菜吸氮量（kg/hm2），F为废水或化肥氮投入量（kg/hm2）；TNI为灌溉输入氮（kg/hm2），TI为总灌水量（m3），TBS为废水施用量（m3），NI为灌溉水总氮含量（mg/L）；NIN为总氮输入（kg/hm2），FN为化肥氮（kg/hm2），BN为废水氮（kg/hm2）；NSU为氮盈余（kg/hm2），NU为白菜氮携出（kg/hm2）。

试验数据采用SAS（Version 9.4）软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA），多重比较采用LSD法（P=0.05），利用Excel 2010作图。

2 结果与分析

2.1 废水施用对设施白菜产量的影响

相对于不施氮（CK）处理，猪场废水施用处理（BSN100～BSN50）4茬白菜平均产量增加均达到5%显著水平；相比NOPT处理，废水施用处理4茬白菜平均增产率达13.73%～39.45%，前3茬废水施用处理白菜产量显著高于NOPT处理（表2）。废水带入氮具有显著的增产效果。除第三茬外，同一处理白菜产量不同茬次间差异不显著。

表2 猪场废水对设施白菜产量的影响Table 2 Effects of swine wastewater manure application on yield of facility cabbage

2.2 废水施用对设施白菜氮吸收利用影响

废水施用处理（BSN100～BSN50）白菜吸氮量在61.09～155.22 kg/hm2之间（表3）。与NOPT处理相比，BSN100处理4茬白菜氮吸收量是NOPT处理的1.24～1.63倍，BSN75处理是NOPT处理的1.34～1.71倍，BSN50处理是NOPT处理的1.56～1.94倍；除第一茬外，后3茬废水施用处理白菜吸氮量均显著高于NOPT处理；同一处理，除第三茬春季白菜外，其他秋季白菜氮吸收量差异不显著。通过对氮表观利用率分析看出，4茬白菜的氮表观利用率随废水氮带入量的增加而降低，BSN100处理氮表观利用率4茬平均为27.68%，显著高于BSN75和BSN50处理，且显著高于NOPT处理。对比NOPT处理，等量氮带入的废水施用处理可显著提高白菜氮表观利用率。同一施氮处理，春季种植的1茬白菜氮表观利用率显著低于秋季种植的3茬，秋季种植的3茬白菜氮表观利用率之间差异不显著。

2.3 废水施用对土壤无机氮累积量的影响

每茬白菜收获后，相较于不施肥处理，各施肥处理0～40 cm土壤无机氮累积量显著增加。CK处理土壤无机氮累积量在11.90～17.41 kg/hm2之间，NOPT处理土壤无机氮累积量在27.43～36.72 kg/hm2之间，废水施用处理土壤无机氮累积量在16.85～81.36 kg/hm2之间，废水施用处理4茬无机氮平均累积量是NOPT处理的1.13～1.58倍。

通过对0～40 cm土壤硝态氮累积量分析可知，第一茬废水施用处理土壤硝态氮积累量在8.12～27.73 kg/hm2之间，BSN100处理显著低于NOPT处理，其他施氮处理之间差异不显著；第二茬废水施用处理土壤硝态氮积累量在19.87～26.32 kg/hm2之间，废水施用处理与NOPT处理之间差异均不显著；第三茬废水施用处理土壤硝态氮累积量在43.43～69.00 kg/hm2之间，BSN75和BSN50处理显著高于NOPT处理；第四茬废水施用处理土壤硝态氮积累量在23.37～48.61 kg/hm2之间，废水施用处理均显著低于NOPT处理。第三茬白菜收获后，废水施用处理土壤硝态氮累积量显著高于其他茬次，其他茬之间差异不显著；第四茬白菜收获后，NOPT处理土壤硝态氮累积量显著高于前3茬（图1）。

表3 猪场废水施用对设施白菜氮素吸收利用的影响Table 3 Effects of swine wastewater manure application on nitrogen uptake and utilization of facility cabbage

4茬白菜收获后，土壤铵态氮累积量均不超过13 kg/hm2，显著低于土壤硝态氮累积量。第一茬废水施用处理土壤铵态氮累积量显著低于NOPT处理，后3茬废水施用处理与NOPT处理之间差异不显著，废水施用处理之间土壤铵态氮累积量差异不显著。

2.4 废水施用对土壤全氮和碳氮比的影响

白菜收获后，土壤全氮含量随废水氮施入量的增加而增加。0～40 cm土壤全氮含量随着土层深度的增加呈降低的趋势。0～20 cm土层，第一茬白菜收获后，废水施用处理（BSN100～BSN50）土壤全氮含量均与NOPT处理差异不显著；第二茬白菜收获后，仅BSN50处理土壤全氮含量显著高于NOPT处理，其他处理差异不显著；第三和第四茬收获后，废水施用处理土壤全氮含量显著高于NOPT处理，废水施用处理之间差异不显著。20～40 cm土层，4茬白菜收获后，BSN50处理土壤全氮含量均显著高于NOPT处理和BSN100处理，与BSN75处理差异不显著（图2）。0～20 cm土层，废水施用处理土壤C/N显著低于NOPT处理，废水施用处理之间差异不显著；20～40 cm土层，除第三茬外，土壤C/N值变化趋势同0～20 cm土层，第三茬土壤C/N值均高于其他茬，且BSN50处理土壤C/N值显著低于BSN100和BSN75处理。

2.5 废水施用对白菜-土壤氮盈余的影响

氮素输入包括肥料和灌溉带入，肥料氮为化肥和废水带入氮，NOPT处理化肥氮为281 kg/hm2，废水施用处理带入氮为281～562 kg/hm2。白菜吸氮量为氮输出，4茬白菜平均氮吸收量为23.71～120.00 kg/hm2，废水施用处理白菜氮吸收量显著高于NOPT处理；废水施用处理中，BSN50处理白菜氮吸收量显著高于BSN100处理，与BSN75处理差异不显著（表4）。就氮盈余而言，CK处理氮素盈余为负值；随废水带入氮量的增加，土壤氮盈余量显著增加，废水施用BSN75和BSN50处理土壤氮盈余量显著高于NOPT处理；BSN100处理土壤氮盈余显著低于化肥施用的NOPT处理，同等氮输入情况下，废水施用可以显著降低土壤氮盈余。

表4 不同处理设施白菜—土壤(0～40 cm)氮素表观平衡(kg/hm2)Table 4 Apparent nitrogen balance in facility cabbage-soil (0-40 cm) system under different treatments

3 讨论

3.1 废水施用对设施白菜产量和氮素利用的影响

本研究中随废水氮施入量增加，白菜产量增加，相同施氮量的条件下，猪场废水施用处理白菜产量显著高于NOPT处理。养殖废水中含有较高的养分和水溶性有机质[19]，可作为能源为土壤微生物利用，提高作物根际土壤微生物数量和酶活性[20]，进而促进了养分的释放，促进了白菜对氮的吸收，增加白菜产量。废水中氮施入土壤后在微生物的作用下变成作物吸收的无机态氮，同时，未吸收利用的氮素部分转化为有机态氮，当作物需氮量增加时，微生物群体释放出所固定的氮素供作物生长所需，提高作物产量[21]。适量施用废水有助于提高设施蔬菜的产量，本研究与Duan等[22]的研究结果一致。

Zhang等[23]研究表明氮肥利用率随施氮量的增加呈下降趋势，减少氮肥投入量会提高氮肥利用率，但可能达不到目标产量。本研究表明，废水施用处理中，白菜氮表观利用率随废水氮带入量的增加而降低，4茬白菜氮表观利用率BSN100处理显著高于BSN75和BSN50处理；在相同氮量条件下，废水施用处理BSN100氮表观利用率显著高于NOPT处理，废水施用可以显著提高白菜的氮表观利用率。向璐等[24]研究表明废水施用不仅能够减少化肥氮的施用量，还可维持作物产量和氮素利用率。

3.2 废水施用对土壤氮素盈余的影响

氮素盈余是衡量氮素投入生产力、环境影响和土壤肥力变化的有效指标，氮素盈余为正值时，代表了潜在的向环境损失的氮素量，为负值时，代表了土壤氮素亏缺，土壤氮素大量盈余同时会增加氮向环境损失风险[25]。氮素盈余也是污染最直接的指标，表征氮在环境中的损失潜力[26]。从保证作物高产角度，作物收获后，高量土壤硝态氮残留可以保证下一季作物的生长[27]，从环境保护角度，土壤剖面中高硝态氮残留会引起氮的淋溶，造成水体富营养化[28]。宁建凤等[29]研究表明，废水替代可降低土壤氮盈余量18%～48%。本研究结果表明，相同氮施入量的条件下，废水施用处理土壤氮盈余量显著低于化肥施用处理，较施用化肥处理平均降低了13.13%，这与宁建凤等[29]的研究结果一致。本研究结果也显示，过量施用废水氮带来大量的土壤氮养分盈余。Bai等[30]研究表明，氮投入增加，氮盈余显著增加，超出作物吸收部分的氮素会以氮素表观损失和无机氮残留形式损失，且与施氮量呈显著正相关。Luo等[31]研究证实，长期施用氮肥会增加土壤中的硝态氮含量，且各土层的硝态氮积累量随施肥年限的增加而增加。本研究结果与以上学者研究结果一致，随着白菜种植茬数增加，施用猪场废水增加土壤硝态氮氮累积量，且0～20 cm和20～40 cm土层中的硝态氮累积量随猪场废水氮施入量的增加而增加，高量废水氮施入可增加土壤硝态氮淋失的风险[32]。

尹嘉德等[33]研究表明增施有机肥能够显著提高土壤碳氮含量，降低土壤C/N比，减少土壤与作物对无机氮的竞争，提高土壤氮素供应能力和延长肥效。李威等[34]研究表明C/N越低，土壤无机氮含量越高，本研究结果与此一致，猪场废水施用可降低C/N，有利于土壤氮素的供应[35]。有针对性的施用氮可以降低硝态氮对环境的污染，降低氮盈余产生的危害[36]。郭智等[37]认为，化肥的施用量远超作物需求量，不仅对作物产量增加无益，还会大幅增加土壤中氮的盈余，造成氮资源浪费。Bouchet等[38]研究表明设施蔬菜的低氮素利用率会造成大量氮盈余。本研究也表明，猪场废水施用BSN100处理较优化施肥处理提高了设施白菜的氮素利用率，降低土壤氮盈余量，猪场废水替代化肥施用更有利于降低氮盈余造成的面源污染风险。